DE102019100863A1

DE102019100863A1 - Temperaturkompensation für Wirbelstromsensoren

Info

Publication number: DE102019100863A1
Application number: DE102019100863.8A
Authority: DE
Inventors: Peter G. Tasche; Michael Schlereth; Ulf Overkamp
Original assignee: Epro GmbH
Current assignee: Epro GmbH
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2020-01-16
Also published as: US20200018624A1; US10684148B2

Abstract

Verfahren zum Kalibrieren eines Wirbelstromsensors für die Temperatur. Sowohl Frequenz als auch Spannung oder Strom eines den Wirbelstromsensor ansteuernden Oszillators werden bei einer Vielzahl von Temperaturen und einer Vielzahl von Zieloberflächenabständen gemessen. Es werden Temperaturgleichungen zurückgebildet, um die gemessene Frequenz und die Spannung oder den Strom für jede Temperatur anzupassen, wobei die Temperaturgleichungen eine gemeinsame Anzahl von äquivalenten Faktoren haben und die Faktorgleichungen für jeden der äquivalenten Faktoren zurückgebildet werden. Es wird ein Paar aus Verstärkungsanpassung Versatzanpassung für jede der Vielzahl von Temperaturen für einen dem Wirbelstromsensor zugeordneten Oszillator bestimmt, der eine Ausgabe des Wirbelstromsensors auf eine Standardtemperatur kompensiert. Eine Verstärkungsgleichung wird zurückgebildet, um den bestimmten Verstärkungsanpassungen zu entsprechen, wobei eine Versatzgleichung zurückgesetzt wird, um den bestimmten Versatzanpassungen zu entsprechen. Die Temperaturgleichungen, Faktorgleichungen, die Verstärkungsgleichung und Versatzgleichung werden mit dem Wirbelstromsensor zur Verfügung gestellt.

Description

GEBIET
Diese Erfindung betrifft den Bereich von elektronischen Sensoren. Insbesondere betrifft diese Erfindung die Kompensation von Temperaturunterschieden bei Wirbelstromsensormessungen.
EINFÜHRUNG
Wirbelstromsensoren werden häufig verwendet, um bestimmte Eigenschaften einer Zieloberfläche oder den Abstand der Spule zu dieser Oberfläche zu bestimmen. Wirbelstromsensoren arbeiten durch Anlegen eines Wechselstroms an eine Spule im Sensor, um ein primäres Magnetfeld zu erzeugen. Das primäre Magnetfeld neigt dazu, kleine Ströme in der Zieloberfläche zu induzieren, die als Wirbelströme bezeichnet werden. Die Wirbelströme selbst erzeugen Wirbelmagnetfelder, die die Impedanz der Spule in einem gewissen Grad beeinflussen. Dieser Einfluss auf die Impedanz kann direkt oder an anderen Parametern gemessen werden, die von der Spulenimpedanz beeinflusst werden.
Der Grad der Wechselwirkung zwischen den Wirbelfeldern und dem wie oben beschrieben Primärfeld hängt von mehreren Faktoren wie dem Abstand zwischen dem Sensor und dem Ziel, dem Material, aus dem das Ziel ausgebildet ist, und der Umgebungstemperatur ab, bei der die Messung durchgeführt wird.
In vielen Fällen ist das Material, aus dem das Ziel ausgebildet ist, bekannt, wobei die gewünschte Ausgabe der Messung der Abstand zwischen dem Ziel und dem Sensor ist. Dies kann besonders nützlich sein, um Schwingungen oder Exzentrizitäten in einer rotierenden Welle abzulesen.
Um jedoch genaue Messungen zu erhalten, muss die Temperatur, bei der die Messungen durchgeführt werden, entweder auf einer bekannten Konstante gehalten oder gemessen werden. Es ist oft sehr schwierig, die Temperatur in der Umgebung, in der solche Messungen gewünscht werden, konstant zu halten, wobei es so bei einigen Anwendungen wünschenswert ist, die Temperatur zu messen.
Obwohl es viele verschiedene Verfahren zur Temperaturmessung gibt, erfordern diese Verfahren typischerweise zusätzliche Temperatursensoren oder separate Temperaturmessschaltungen, von denen jede die Kosten und Komplexität der gewünschten Abstandsmessungen erhöht.
Was daher benötigt wird, ist ein System, das dazu neigt, Probleme wie die oben beschriebenen wenigstens teilweise zu reduzieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben genannten und weitere Anforderungen werden durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Wirbelstromsensors für die Temperatur erfüllt. Sowohl Frequenz als auch Spannung oder Strom eines den Wirbelstromsensor ansteuernden Oszillators werden bei einer Vielzahl von Temperaturen und einer Vielzahl von Zieloberflächenabständen gemessen. Temperaturgleichungen werden zurückgebildet, um die gemessene Frequenz und die Spannung oder den Strom für jede Temperatur anzupassen, wobei die Temperaturgleichungen eine gemeinsame Anzahl von äquivalenten Faktoren haben und die Faktorgleichungen für jeden der äquivalenten Faktoren zurückgebildet werden. Es wird ein Paar aus Verstärkungsanpassung und Versatzanpassung für jede aus der Vielzahl von Temperaturen für einen dem Wirbelstromsensor zugeordneten Oszillator bestimmt, der die Ausgabe des Wirbelstromsensors auf eine Standardtemperatur kompensiert. Eine Verstärkungsgleichung wird zurückgebildet, damit sie den bestimmten Verstärkungsanpassungen entsprechen, wobei eine Versatzgleichung zurückgebildet wird, damit sie den bestimmten Versatzanpassungen entsprechen. Die Temperaturgleichungen, Faktorgleichungen, die Verstärkungsgleichung und die Versatzgleichung werden mit dem Wirbelstromsensor zur Verfügung gestellt.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Korrigieren eines Wirbelstromsensors für die Temperatur durch Ablesen der Frequenz und der Spannung oder des Stroms eines dem Wirbelstromsensor zugeordneten Oszillators beschrieben. Die Frequenz und die Spannung oder der Strom werden in zur Verfügung gestellte Temperaturgleichungen eingegeben, um eine Temperatur zu bestimmen, wobei die Temperatur in eine zur Verfügung gestellte Verstärkungsgleichung eingegeben wird, um eine Verstärkungsanpassung zu bestimmen. Die Temperatur wird in eine zur Verfügung gestellte Versatzgleichung eingegeben, um eine Versatzanpassung zu bestimmen, wobei der Oszillator mittels der Verstärkungsanpassung und der Versatzanpassung angepasst wird.
Entsprechend einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Kalibrierung und Korrektur eines Wirbelstromsensors für die Temperatur beschrieben. Der Wirbelstromsensor wird kalibriert, indem sowohl Frequenz als auch Spannung oder Strom eines Oszillators gemessen werden, die den Wirbelstromsensor bei einer Vielzahl von Temperaturen und einer Vielzahl von Zieloberflächenabständen ansteuern. Temperaturgleichungen werden zurückgebildet, um die gemessene Frequenz und die Spannung oder den Strom für jede Temperatur anzupassen, wobei die Temperaturgleichungen eine gemeinsame Anzahl von äquivalenten Faktoren haben. Die Faktorgleichungen werden für jeden der äquivalenten Faktoren zurückgebildet. Für einen dem Wirbelstromsensor zugeordneten Oszillator wird ein Paar aus Verstärkungsanpassung und Versatzanpassung für jede aus der Vielzahl von Temperaturen bestimmt, das eine Ausgabe des Wirbelstromsensors auf eine Standardtemperatur kompensiert. Eine Verstärkungsgleichung wird zurückgebildet, um den bestimmten Verstärkungsanpassungen zu entsprechen, wobei eine Versatzgleichung zurückgebildet wird, um den bestimmten Versatzanpassungen zu entsprechen. Die Temperaturgleichungen, Faktorgleichungen, die Verstärkungsgleichung und die Versatzgleichung werden mit dem Wirbelstromsensor zur Verfügung gestellt. Der Wirbelstromsensor wird durch Ablesen der Frequenz und Spannung oder Strom eines dem Wirbelstromsensor zugeordneten Oszillators bei einer unbekannten Temperatur korrigiert. Die Frequenz und die Spannung oder der Strom werden in die zur Verfügung gestellten Temperaturgleichungen eingegeben, um die unbekannte Temperatur zu bestimmen. Die bestimmte Temperatur wird in die zur Verfügung gestellte Verstärkungsgleichung, um eine Verstärkungsanpassung zu bestimmen, und in die zur Verfügung gestellte Versatzgleichung eingegeben, um eine Versatzanpassung zu bestimmen. Der Oszillator wird mittels der Verstärkungsanpassung und der Versatzanpassung angepasst.
Figurenliste
Weitere Vorteile der Erfindung werden mit Bezug auf die ausführliche Beschreibung offensichtlich, wenn sie in Verbindung mit den Figuren betrachtet wird, die nicht maßstabsgetreu sind, um so die Einzelheiten deutlicher zu zeigen, wobei gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente in allen verschiedenen Ansichten anzeigen und wobei zeigen:

1 ein Ablaufdiagramm zum Kalibrieren eines Wirbelstromsensors entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ein Ablaufdiagramm zum Kalibrieren eines Wirbelstromsensors für die Temperatur entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 ein Ablaufdiagramm zum Kalibrieren eines Wirbelstromsensors für das Zielmaterial entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 eine Grafik des Verhältnisses zwischen Frequenz und Spannung bei verschiedenen unterschiedlichen Temperaturen für einen Wirbelstromsensor entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5 eine Grafik der empirischen und berechneten Verhältnisse zwischen Frequenz und Spannung bei einer einzigen Temperatur für einen Wirbelstromsensor entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 eine Grafik von empirischen und berechneten Rückbildungskoeffizienten für das Verhältnis zwischen Spannung und Temperatur für einen Wirbelstromsensor entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
7 eine Grafik der Linearität der berechneten Temperatur bei verschiedenen tatsächlichen Temperaturen über verschiedene Abstände für einen Wirbelstromsensor entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
8 eine Grafik der Spannungsabweichung für das zurückgebildete Verhältnis bei verschiedenen Temperaturen und Abständen für einen Wirbelstromsensor entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
9 ein schematisches Diagramm einer Wirbelstromsensorkette entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
10 ein Ablaufdiagramm zum Kalibrieren eines Wirbelstromsensors entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
11 ein Ablaufdiagramm zum Vornehmen von Wirbelstromsensormessungen mittels eines kalibrierten Wirbelstromsensors entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
12 eine Grafik, die die gemessenen gegenüber zurückgebildeten Oszillator-Versatzanpassungen gegenüber der Temperatur entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vergleicht.
13 eine Grafik, die die gemessenen gegenüber den zurückgebildeten Oszillator-Verstärkungsanpassungen gegenüber der Temperatur entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vergleicht.

BESCHREIBUNG
Mir Bezug nun auf 9 ist ein schematisches Diagramm einer Wirbelstromsensorkette 900 entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Sensorkette 900 weist einen Oszillator 902 auf, der einen Wechselstrom durch einen elektrischen Leiter 908 an eine Spule 910 liefert. Der Wechselstrom in der Spule 910 erzeugt Wirbelströme in der Oberfläche 922, wie hier an anderer Stelle beschrieben wird. In einigen Ausführungsbeispielen ist der elektrische Leiter 908 ein Kabel, wie ein abgeschirmtes Koaxial- oder Triaxialkabel, bei dem der Wechselstrom vom Oszillator 902 durch den Innenleiter an die Spule 910 geliefert wird, wobei der Außenleiter mit einer Masse 912 verbunden ist.
In einigen Ausführungsbeispielen ist der Oszillator 902 ein freilaufender Oszillator, wobei dies bedeutet, dass es keine Rückkopplungsschleife zu den elektrischen Eingängen des Oszillators 902 gibt, um eine konstante Schwingungsfrequenz am Ausgang zu erzeugen. Anders gesagt werden Änderungen der Impedanz in der Spule 910 oder im Kabel 908 die Frequenz ändern, die vom Oszillator 902 ausgegeben wird. Dies unterscheidet sich deutlich von der Ausführung vieler anderer Wirbelstromsensoren. Änderungen des Materials der Oberfläche 922 und der Temperatur der Oberfläche 922 und der Sensorkette 900 wirken sich ebenfalls auf die Schwingungsfrequenz des Oszillators 902 aus.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Signal, das sich aus dem Zusammenwirken von Oszillator 902, Spule 910 und Kabel 908 ergibt, durch einen Demodulator 914 und einen Signalaufbereiter 916 geleitet, bevor die Wirbelstromsensorkette 900 durch den Ausgang 920 verlassen wird.
Die wie oben beschriebene Hardware ist nicht immer Teil der kleinen Vorrichtung, die viele als Wirbelstromsensor bezeichnen würden, sondern umfasst etwas, was als die Sensorkette der Elektronik bezeichnet werden könnte, die mit der Spule 910 verbunden ist. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Spule 910 selbst das einzige Teil, das in dem kleinen Paket enthalten ist, das als Sensor betrachtet wird, wobei alle anderen Elemente, wie dargestellt und beschrieben, weiter entfernt angeordnet sind. Der Einfachheit halber wird die in 9 dargestellte Sensorkette 900 jedoch manchmal auch als der Wirbelstromsensor 900 oder nur als Sensor 900 bezeichnet.
Irgendwo in der Sensorkette 900 gibt es etwas, das hier eine Steuerung 918 genannt wird. Die Lage der Steuerung 918 ist in einem Ausführungsbeispiel in 9 dargestellt, wobei aber die Steuerung 918 auch an anderen Stellen angeordnet sein könnte. Die Funktionen der Steuerung 918 in einem Ausführungsbeispiel weisen das im Wesentlichen gleichzeitige Messen der vom Oszillator 902 ausgegebenen Frequenz und der Spannung vom Sensor 910 entsprechend einer gewissen Abtastrate und das Bereitstellen der Messungen am Ausgang 920 auf. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, werden diese Messungen verwendet, um sowohl den Abstand zwischen der Spule 910 und der Oberfläche 922 als auch die effektive Temperatur des Sensors 900 zu bestimmen.
Wie einleitend beschrieben wurde, werden Frequenz und Spannung des Oszillators 902 durch wechselnde Umgebungstemperaturen beeinflusst. Wenn die anderen Einflussvariablen (Material der Oberfläche 922 und weitere Eigenschaften des Sensors 900) bekannt sind, kann die Umgebungstemperatur anhand der Oszillatorfrequenz und der Schwingkreisspannung bestimmt werden.
In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden die beiden Variablen der elektrischen Qualität und Frequenz abgelesen, wobei damit die Vorrichtung 900 in der Lage ist, zu bestimmen, was als die Einflussvariablen von Temperatur und Sensorabstand bezeichnet werden könnte. Die so genannte elektrische Qualität wird abhängig von der Art des Schwingkreises (Spannung für einen Parallelsensor 910 und Strom für einen Reihensensor 910) entweder durch die Spannung oder den Strom des Oszillators 902 gemessen. In dieser Erörterung verwenden wir durchweg das Beispiel von Spannung und einem Parallelsensor 908. Es wird jedoch eingeschätzt, dass die hier beschriebenen Verfahren auch für die Messung von Strom anstelle von Spannung für einen Reihensensor 908 anwendbar sind.
Da das System undefiniert ist, werden die gewünschten Einflussvariablen durch zwei gemessene Variablen bestimmt, wobei damit zusätzliche Randbedingungen wie folgt spezifiziert werden. Bei der Inbetriebnahme der Sensorkette 900 wird das Verhalten des Sensors 908 bei einer Standardtemperatur und mit einem Standardmaterial bestimmt. Das Material wird dann bei Standardtemperatur erneut gemessen und entsprechend kompensiert. Wenn eine Messung bei Standardtemperatur nicht möglich ist, dann wird die Messung bei einer bekannten Temperatur vorgenommen, wobei die Messwerte auf Standardtemperatur neu berechnet werden. Der Messabstand wird nun auf den Sensor 908 und das Material der Oberfläche 922 eingestellt, so dass nur die Parameter Abstand und Temperatur aufzuzeichnen und zu verarbeiten sind.
Um unterschiedliche Temperaturen zu erfassen, hat das Verhalten der Oszillatorfrequenz eine monotone Funktion gegenüber dem Betriebstemperaturbereich bei einem konstanten Abstand von der Spule 910 zur Oberfläche 922, der entweder monoton ansteigend oder monoton abfallend ist. Dies kann in einigen Ausführungsbeispielen durch die elektrischen Eigenschaften der Spule 910 gewährleistet werden. Dies ist nicht bei jedem Spulentyp 910 möglich. Wenn Ferrite in der Spule 910 verwendet werden, müssen sie in einer Weise ausgewählt werden, dass sie auch die monotonen Funktionen des Frequenzgangs unterstützen.
Mit Bezug nun auf 1 ist ein Ablaufdiagramm des gesamten Verfahrens 100 zur Kalibrierung 102 einer Sensorkette 900 entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. In einigen Ausführungsbeispielen werden die Temperaturkalibrierungsdaten bereits zur Verfügung gestellt, wie in Block 104 bestimmt ist. Wenn nicht, wird die Temperaturkalibrierung gemäß Block 106 durchgeführt, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Wenn sie zur Verfügung gestellt werden, werden die Temperaturkalibrierungsdaten für den Sensor 900 gemäß Block 108 lediglich in die Steuerung 918 eingegeben.
Als nächstes wird in Block 110 bestimmt, ob das Material der Oberfläche 922 bekannt ist und ob die Informationen in Hinblick auf die Oberfläche 922 zur Verfügung gestellt werden. Wenn nicht, dann wird das Kalibrierungsverfahren 112 der Sensorkette 900 auf das Material der Zieloberfläche 922 durchgeführt, wie in Block 112 angegeben und nachfolgend ausführlicher erläutert ist. Wenn die Informationen zur Verfügung gestellt werden, dann werden die dem Oberflächenmaterial 922 zugeordneten Kalibrierungsdaten von Spannung und Frequenz (Osc VF) des Oszillators 902 in die Steuerung 918 eingegeben, wie in Block 114 angegeben ist. An diesem Punkt ist die Sensorkette 900 kalibriert, wie in Block 116 angegeben ist.
Mit Bezug nun auf 2 wird eine ausführlichere Beschreibung des Kalibrierungsverfahrens 106 in Hinblick auf die Temperaturschwankungen der Sensorkette 900 zur Verfügung gestellt. Beginnend im Block 204 werden Oszillatorspannung, -strom und -frequenz (VCF) bei einer bekannten Umgebungstemperatur oder bei einer Standardtemperatur wie 23 Grad Celsius gemessen. Die Gleichung zur Umrechnung der Messungen auf die Standardtemperatur ist in Block 206 angegeben. Diese Kalibrierwerte werden auf die Parameter der Gleichung angewendet, die die Ausgabe der Sensorkette 900 wie etwa die Kalibrierungsverstärkung, den Kalibrierversatz und den Frequenzsensorversatz prognostizieren, wie in Block 208 angegeben ist. Wenn die Form der Zieloberfläche 922 nicht standardgemäß ist, wird eine Mehrpunktkalibrierung durchgeführt, wie in Block 210 angegeben ist. An diesem Punkt ist die Sensorkette 900 temperaturkalibriert, wie in Block 212 angegeben ist.
Mit Bezug nun auf 3 kann der Sensor 900 nach Bedarf auch auf ein spezifisches Oberflächenmaterial 922 kalibriert werden, wie in Verfahren 112 angegeben ist. In ähnlicher Weise zum oben beschriebenen wird die Sensorspule 910 in einem bekannten Abstand von der Oberfläche 922 positioniert, die Umgebungstemperatur gemessen und die Spannung oder der Strom und die Frequenz des Oszillators 902 sowie die Spannung am Ausgang des Demodulators 914 gemessen, wie in Block 302 angegeben ist. Die Sensorspule 902 wird dann auf einen zweiten bekannten Abstand von der Oberfläche 922 bewegt, wobei die gleichen Parameter ein zweites Mal gemessen werden, wie in Block 304 angegeben ist. Dies ermöglicht eine Kalibrierung der Spannungs-, Strom- und Frequenzmessungen auf eine ausgewählte Standardtemperatur, wie in Block 306 angegeben ist. Wie bei früheren Kalibrierroutinen werden diese Werte auf die Verstärkungen und Versätze der Sensorkette 900 angewendet, wie in Block 308 angegeben ist, und an dessen Punkt die Sensorkette 900 kalibriert ist, wie in Block 310 angegeben ist.
Ein weiteres Ablaufdiagramm für ein gesamtes Verfahren 1000 zum Bestimmen der Temperatur-, Spannungs- und Abstandscharakteristik einer Bezugssensorkette ist in 10 angegeben. Entsprechend diesem Verfahren wird eine Anfangstemperatur der Sensorkette 900 zusammen mit einem Anfangsabstand der Sensorspule 910 zur Oberfläche 922 eingestellt, wobei die Oberfläche 922 aus einem bestimmten, bekannten Material besteht, wie in Block 1002 angegeben ist. Das Verfahren gelangt dann in zwei verschachtelte Schleifen, wobei zuerst die Temperatur auf die Anfangstemperatur eingestellt wird, wie in Block 1004 angegeben ist, und dann der Abstand auf den Anfangsabstand eingestellt wird, wie in Block 1006 angegeben ist.
Die Spannung des Oszillators 902 wird abgelesen und aufgezeichnet, wie in Block 1008 angegeben ist, wobei die Frequenz des Oszillators 902 abgelesen und aufgezeichnet wird, wie in Block 1010 angegeben ist. Wenn es gewünscht wird, die Messungen in größeren Abständen vorzunehmen, wie in Block 1012 bestimmt ist, dann wird der gewünschte Abstand zwischen der Oberfläche 922 und der Spule 910 wie in Block 1014 angegeben erhöht, wobei das Verfahren zu Block 1006 zurückkehrt. Wenn die Parameter im letzten gewünschten Abstand gemessen wurden, dann wird wie in Block 1016 angegeben eine Entscheidung getroffen, die Ablesungen bei einer anderen Temperatur vorzunehmen. Wenn es so ist, wird die gewünschte Temperatur wie in Block 1018 angegeben erhöht, wobei das Verfahren zu Block 1004 zurückkehrt. Wenn alle gewünschten Temperaturen analysiert wurden, fällt das Verfahren auf Block 1020.
An diesem Punkt wurde eine Messung sowohl für Spannung als auch Frequenz bei verschiedenen unterschiedlichen Abständen und Temperaturen durchgeführt und aufgezeichnet. Aus diesen Daten kann gemäß 4 ein Plot aus Spannung gegenüber Frequenz bei verschiedenen Abständen und Temperaturen konstruiert werden. Es kann jedoch eingeschätzt werden, dass der Plot nur der Einfachheit halber bei der Visualisierung der Daten dient und bei der tatsächlichen Implementierung ein Computer, wie er üblicherweise für einige der hier beschriebenen Schritte des Verfahrens verwendet würde, die hier dargestellten Plots nicht konstruieren müsste.
Wie in 4 zu sehen ist, haben die Plots von Spannung gegenüber Frequenz bei jeder Temperatur ähnliche Formen, sind aber voneinander verschoben. Die Verhältnisse zwischen diesen Datensätzen von Spannung und Frequenz bei verschiedenen Temperaturen können bei späteren Schritten im hier beschriebenen Verfahren bestimmt und verwendet werden.
Als ein erster Schritt in diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird gemäß Block 1022 eine mathematische Rückbildung von jedem der temperaturabhängigen Plots einzeln durchgeführt und eine mathematische Gleichung konstruiert, die die Form der Plots gegenüber den Abstands- und Spannungswerten von wahrscheinlichem Interesse beschreibt - das bedeutet zum Beispiel gegenüber Bereichen der erwarteten Nutzung des Sensors 900. In einem Ausführungsbeispiel wird eine Polynomgleichung vierter Ordnung verwendet, um die Plots zu beschreiben, zum Beispiel in der Form von: $F (V) = a_{4} • V^{4} + a_{3} • V^{3} + a_{2} • V^{2} + a_{1} • V + a_{0}$
Ein solcher Plot der temperaturabhängigen Daten für eine Temperatur und die zurückgebildete Gleichung ist in 5 dargestellt. Dieser Prozess erzeugte eine Gleichung mit der oben angegebenen Form für jede Temperatur. Wenn also acht verschiedene Temperaturen untersucht wurden, dann werden acht verschiedene Gleichungen erzeugt, die das Verhältnis von Spannung gegenüber Frequenz bei jeder der acht Temperaturen beschreiben. Dies ergibt jeweils acht der Faktoren a₀ bis a₄ aus den Polynomgleichungen.
Die Parameter a₀ bis a₄ sind abhängig von der Temperatur. Die Änderung des Parameters gegenüber der Temperatur ist nahezu linear und kann als eine Funktion erster Ordnung ausgedrückt werden, wie in den nachfolgenden Gleichungen angegeben ist: $a_{4} (T) = b_{1} • T + b_{0}$
$a_{3} (T) = c_{1} • T + c_{0}$
$a_{2} (T) = d_{1} • T + d_{0}$
$a_{1} (T) = e_{1} • T + e_{0}$
$a_{0} (T) = f_{1} • T + f_{0}$
Wie in Block 1024 angegeben ist, ist es möglich, mathematische Gleichungen zurückzubilden, die jede der Variablen a₀ bis a₄ beschreiben. Mit anderen Worten, es wird eine Gleichung erzeugt, durch die man die Temperatur eingeben kann, wobei der gewünschte Koeffizient ausgegeben wird. Ein solcher Plot ist in 6 für berechnete und gemessene Werte von a₄ dargestellt. Auf diese Weise können, sobald die Temperatur bekannt ist, die für jeden Koeffizienten in Block 1024 erstellten Gleichungen verwendet werden, um die Koeffizienten zu erzeugen, die für jede Gleichung erforderlich sind, die das Verhältnis zwischen Spannung und Frequenz beschreibt, wie in Block 1022 bestimmt ist. Damit kann mit einer Kenntnis der Frequenz und Spannung des Oszillators 902 die Temperatur des Sensors 910 abgeleitet werden, wobei die Kompensationswerte für die Temperatur auf die Verstärkung und den Versatz in jeder Steuerung des Oszillators 902 über die Leitung 906 angewendet werden können.
Wenn tatsächlich Messungen mit der Sensorkette 900 vorgenommen werden, nachdem die Kalibrierung durchgeführt wurde, wird das in 11 dargestellte Verfahren 1100 verwendet. Mit einer Kenntnis der in Schritt 1102 gemessenen Oszillatorspannung und - frequenz kann man die Gleichungen der Schritte 1022 und 1024 anwenden, um sie mit tabellarischen Daten für die Koeffizienten (die während einer Kalibrierroutine wie vorstehend beschrieben erzeugt werden, bei der alle Daten bei bekannten Temperaturen und Abstanden gemessen werden) abzugleichen, um gemäß Block 1104 die Temperatur zu bestimmen, die dann verwendet werden kann, um die Spannungsausgabe des Oszillators 902 durch Anpassen der Verstärkung und des Versatzes des Oszillators 902 gemäß Block 1106 zu korrigieren, so dass der tatsächliche Abstand zwischen der Sensorspule 908 und der Oberfläche 922 gemäß Block 1108 bestimmt wird. Auf diese Weise können temperaturkorrigierte Ablesungen für den Abstand ohne zusätzliche Elektronik oder Temperaturmessgeräte vorgenommen werden. Dies ist im Diagramm 700 von 7 grafisch dargestellt.
Zum Beispiel können die oben eingeführten Gleichungen hinsichtlich der Temperatur wie unten angegeben neu geschrieben werden: $T (V, F) = (F - (b_{0} V_{4} + c_{0} V_{3} + d_{0} V_{2} + e_{0} V + F_{0})) / (b_{1} V_{4} + c_{1} V_{3} + d_{1} V_{2} + e_{1} V + F_{1})$
Dieses Verfahren ergibt die Möglichkeit, die Temperaturen des Sensors 908 anhand von zwei Messgrößen, der Oszillatorspannung (oder des -stroms) und der Oszillatorfrequenz zu berechnen.
Wie oben erläutert werden Verstärkung und Versatz des Oszillators 902 vorzugsweise angepasst, um eine wünschenswerte lineare Rückbildung ohne Temperaturabhängigkeit zu erreichen. Die Verstärkungs- und Versatzwerte werden als ein Ergebnis der Messungen bei den unterschiedlichen Temperaturen des Sensors 908 erzeugt, wie oben beschrieben ist, wobei der Oszillator 902 so angepasst ist, dass er bei allen Temperaturen die ausgegebenen Ergebnisse erreicht, als ob sie bei der Standardtemperatur wie etwa 23° Celsius erzeugt würden. Sobald diese Änderungen vorgenommen werden, werden die Temperaturschwankungen in der Sensorkette 900 drastisch reduziert, wie im Diagramm 800 von 8 dargestellt ist.
Die temperaturabhängigen Einstellungen sind in 12 und 13 grafisch dargestellt. Mittels der Daten aus der Kalibrierungsphase des Prozesses, wie oben ausführlicher beschrieben ist, werden die für die Verstärkung und den Versatz der Oszillatoreingänge 902 erforderlichen Anpassungen bestimmt, wobei dann ein mathematisches Verhältnis mittels dieser Werte zurückgebildet wird, so dass Anpassungen bei allen Temperaturen langfristig innerhalb des zurückgebildeten Bereichs der Gleichung (und in einigen außerhalb des zurückgebildeten Temperaturbereichs extrapolierten Ausführungsbeispielen) vorgenommen werden können. Auf diese Weise werden die Steuergrößen für den Oszillator 902 - Versatz und Verstärkung - entsprechend der Temperatur des Systems, gemessen durch die Spannung (oder den Strom) und die Frequenz des Oszillators 902, so angepasst, dass die Ausgabe der Sensorkette 900 für die Umgebungstemperatur kompensiert wird und eine genaue Darstellung der Ausgabe des Sensors 908 wie den Abstand zur Oberfläche 922 widerspiegelt.
Die Messung der Frequenz kann auf einfache Weise ausgeführt werden, aber in einigen Ausführungsbeispielen so präzise wie möglich verwirklicht werden. Es kann ein interner Zähler der Steuerung 918 verwendet werden, um die Sensorkette 900 zur Messung der Frequenz anzupassen. Um die Frequenz zu bestimmen, wird in einem Ausführungsbeispiel das vom Schwingkreis verarbeitete Frequenzsignal ausgewertet. Ein als Zähler (Zeitgeber₀) konfigurierter Zeitgeber erfasst die ansteigende Flanke an der Steuerung 918. Für einen 8-Bit-Zähler löst dies zum Beispiel nach 256 Zählschritten eine Unterbrechung aus. Jede Zeitgebero-Unterbrechung erhöht den Registerwert um 1. Zeitgeber₁ (T₁) wird fast gleichzeitig mit T₀ gestartet. Der 16-Bit-Zeitgeber₁, der mit einer Steuerungstaktfrequenz getaktet ist, stoppt den Zeitgeber₀ und seine Unterbrechungsfreigabe bei seinem ersten Überlauf. Durch das Auswerten der Zeitgeber₀-Überläufe und der aktuellen Zahl von Zeitgeber₀ kann nun die Frequenz bestimmt werden, da Zeitgeber₁ einen festen Zeitraum zur Verfügung stellt, in dem die Anzahl der ansteigenden Flanken gezählt wird. Der Impulszähler zeigt die Anzahl der Impulse an, die bis zum Überlauf von Zeitgeber₁ an der Steuerung auftreten. Der Wert des Impulszählers wird wie folgt berechnet als: $I m p u l s e = T_{0}_U n t e r b r e c h u n g e n \times 2^{8} + T_{0}_R u h e z u s t ä n d e$
Der Messzeitraum kann bestimmt werden durch: $Z e i t r a u m = T_{1}_Ü b e r t a k t u n g / 2^{16}$
Wo der Multiplikator mit der Datenbreite von Zeitgeber₁ inhärent ist, kann dann die Frequenz bestimmt werden als: $F r e q u e n z = I m p u l s e / Z e i t r a u m$
Wenn die Taktfrequenz zu hoch ist oder die Differenz zwischen der Datenbreite zwischen Zeitgeber₀ und Zeitgeber₁ zu klein ist, kann Zeitgeber₁ auch mehrmals gestartet werden, um ein sicheres Ergebnis mit geringer Messunsicherheit zu erhalten.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen entsprechend der vorliegenden Erfindung wird die hier beschriebene Temperaturkompensationstechnologie mit unterschiedlichen Arten von Wirbelstromsensoren 900 verwendet, wie etwa einem Wandler mit einer Spannungsausgabe, die proportional zum Abstand zwischen der Oberfläche 922 und der Spule 910 ist, einem Sender mit einer Stromausgabe, die proportional zu dem Abstand zwischen der Oberfläche 922 und der Spule 910 ist, und einem Sender mit einer Stromausgabe eines charakteristischen Wertes, wie etwa dem effektiven Wert des Schwingungsanteils des Abstands zwischen der Oberfläche 922 und der Spule 910. Weitere Ausführungsbeispiele sind hier ebenfalls vorgesehen.
Die vorhergehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen dieser Erfindung wurde zur Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt. Sie soll nicht vollständig sein oder die Erfindung auf die offenbarte genaue Form einschränken. Offensichtliche Modifikationen oder Variationen sind im Hinblick auf das oben gezeigte möglich. Die Ausführungsbeispiele sind in dem Bestreben ausgewählt und beschrieben worden, um Veranschaulichungen der Grundsätze der Erfindung und ihre praktische Anwendung zur Verfügung zu stellen und damit den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen und mit verschiedenen Modifikationen zu nutzen, die für die jeweilige vorgesehene Verwendung geeignet sind. Alle diese Modifikationen und Variationen befinden sich im Anwendungsbereich der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche bestimmt wird, wenn sie in Übereinstimmung mit dem Umfang interpretiert werden, auf die sie gerecht, rechtmäßig und gleichberechtigt Anspruch haben.

Claims

Verfahren zum Kalibrieren eines Wirbelstromsensors für die Temperatur, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Messen sowohl von Frequenz als auch Spannung oder Strom eines Oszillators, der den Wirbelstromsensor bei einer Vielzahl von Temperaturen und einer Vielzahl von Zieloberflächenabständen ansteuert, Zurückbilden von Temperaturgleichungen, um die gemessene Frequenz und die Spannung oder den Strom für jede Temperatur anzupassen, wobei die Temperaturgleichungen eine gemeinsame Anzahl von äquivalenten Faktoren aufweisen, Zurückbilden von Faktorgleichungen für jeden der äquivalenten Faktoren, Bestimmen für einen dem Wirbelstromsensor zugeordneten Oszillator eines Paares aus Verstärkungsanpassung und Versatzanpassung für jede aus der Vielzahl von Temperaturen, das eine Ausgabe des Wirbelstromsensors auf eine Standardtemperatur kompensiert, Zurückbilden einer Verstärkungsgleichung, um den bestimmten Verstärkungsanpassungen zu entsprechen, Zurückbilden einer Versatzgleichung, um den bestimmten Versatzanpassungen zu entsprechen, und zur Verfügung stellen der Temperaturgleichungen, Faktorgleichungen, der Verstärkungsgleichung und Versatzgleichung mit dem Wirbelstromsensor.
Verfahren zum Korrigieren eines Wirbelstromsensors für die Temperatur, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Ablesen von Frequenz und Spannung oder Strom eines dem Wirbelstromsensor zugeordneten Oszillators, Eingeben der Frequenz und der Spannung oder des Stroms in zur Verfügung gestellte Temperaturgleichungen, um eine Temperatur zu bestimmen, Eingeben der Temperatur in eine zur Verfügung gestellte Verstärkungsgleichung, um eine Verstärkungsanpassung zu bestimmen, Eingeben der Temperatur in eine zur Verfügung gestellte Versatzgleichung, um eine Versatzanpassung zu bestimmen, und Anpassen des Oszillators mittels der Verstärkungsanpassung und der Versatzanpassung.
Verfahren zum Kalibrieren und Korrigieren eines Wirbelstromsensors für die Temperatur, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Kalibrieren des Wirbelstromsensors durch Messen sowohl von Frequenz als auch Spannung oder Strom eines Oszillators, der den Wirbelstromsensor bei einer Vielzahl von Temperaturen und einer Vielzahl von Zieloberflächenabständen ansteuert, Zurückbilden von Temperaturgleichungen, um die gemessene Frequenz und die Spannung oder den Strom für jede Temperatur anzupassen, wobei die Temperaturgleichungen eine gemeinsame Anzahl von äquivalenten Faktoren aufweisen, Zurückbilden von Faktorgleichungen für jeden der äquivalenten Faktoren, Bestimmen für einen dem Wirbelstromsensor zugeordneten Oszillator eines Paares aus Verstärkungsanpassung und Versatzanpassung für jede aus der Vielzahl von Temperaturen, das eine Ausgabe des Wirbelstromsensors auf eine Standardtemperatur kompensiert, Zurückbilden einer Verstärkungsgleichung, um den bestimmten Verstärkungsanpassungen zu entsprechen, Zurückbilden einer Versatzgleichung, um den bestimmten Versatzanpassungen zu entsprechen, und zur Verfügung stellen der Temperaturgleichungen, Faktorgleichungen, der Verstärkungsgleichung und Versatzgleichung mit dem Wirbelstromsensor, und Korrigieren des Wirbelstromsensors durch Ablesen von Frequenz und Spannung oder Strom eines dem Wirbelstromsensor zugeordneten Oszillators bei einer unbekannten Temperatur, Eingeben der Frequenz und der Spannung oder des Stroms in die zur Verfügung gestellten Temperaturgleichungen, um die unbekannte Temperatur zu bestimmen, Eingeben der bestimmten Temperatur in die zur Verfügung gestellte Verstärkungsgleichung, um eine Verstärkungsanpassung zu bestimmen, Eingeben der bestimmten Temperatur in die zur Verfügung gestellte Versatzgleichung, um eine Versatzanpassung zu bestimmen, und Anpassen des Oszillators mittels der Verstärkungsanpassung und der Versatzanpassung.